强磁场科学中心在差分相位衬度技术分析拓扑磁结构研究中取得新进展

近日，中科院合肥研究院强磁场中心在拓扑磁结构研究中取得新进展，通过透射电子显微镜的差分相位衬度成像技术于实空间观察到kπ斯格明子在磁场下的演化过程，并利用微磁学模拟对它们的三维结构进行了分析。相关研究成果以“Magnetic kπ-Skyrmions and their Field-Driven Evolutions in a Nanostructured Centrosymmetric Magnet”（在中心对称纳米结构磁体中磁kπ斯格明子以及它们在磁场下的演化）为题发表在期刊Acta Materialia上。

kπ斯格明子是由若干个个同轴的斯格明子互相嵌套形成的拓扑磁结构，磁矩从中心到其边界旋转角度为kπ，k可理解为嵌套的斯格明子数目。对kπ斯格明子的理论预测早在上世纪已有报道，研究发现kπ斯格明子具有诸多有趣的物理性质，特别是当k = 2时，kπ斯格明子的拓扑数为零，在电流驱动下不会产生斯格明子霍尔效应，运动轨迹基本保持一条直线，这种磁结构也被称为类斯格明子，有望应用于新型自旋电子学器件。然而对于kπ斯格明子的研究一直停留在理论中，实验上对kπ斯格明子的观察很少，因此研究团队进行了中心对称磁体Fe₃Sn₂纳米结构中kπ斯格明子的探索工作。

由于拓扑磁结构的尺寸往往在百纳米量级，常规的磁表征手段难以满足需要，因此研究团队使用透射电镜进行磁结构的实空间观察，开展差分相位成像技术观察磁结构。差分相位衬度技术由四等分的环形探测器接收电子相位信息，互相垂直的探测器获取的信号做差，经过计算机处理得出磁衬度信息。运用差分相位衬度成像技术，团队已成功观察到中心对称磁体Fe₃Sn₂中靶态磁泡以及倾斜磁晶产生的二类磁泡。

研究团队利用聚焦离子束技术制备了一系列不同直径的Fe₃Sn₂纳米圆盘，在电镜下原位施加磁场，并使用差分相位衬度技术进行表征。研究发现：不同直径的纳米圆盘中kπ斯格明子的k不同，直径越大对应的k值越大。施加磁场后，kπ斯格明子先变得更圆更对称，然后会发生斯格明子环的变形或破裂，演化成不同的磁结构。其中k = 2,3时，在较高磁场下（k+1）π斯格明子转变为kπ斯格明子，产生类斯格明子磁泡，即由两个斯格明子磁泡互相嵌套而成的拓扑磁结构。研究团队还进行了微磁模拟分析三维磁结构，模拟结果与实验现象吻合。

在室温下，研究团队实现了kπ（k = 2,3,4）斯格明子的观测，并对其在磁场下的演化过程进行了探索，首先观察到了类斯格明子磁泡这种新型磁结构，丰富了拓扑磁结构的谱系，未来有望促进斯格明子类磁粒子的应用。强磁场科学中心2019级硕士生蒋佳良、博士生吴耀东为本论文的共同第一作者，研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117084

不同直径Fe3Sn2纳米盘中kπ斯格明子的磁场转变结果及三维结构分析